复合材料技术在轻质导弹发射筒中的应用

何江军

摘 要： 针对导弹发射筒的结构和使用特点，将复合材料应用于发射筒设计中，分析了复合材料的应用对发射筒质量和使用性能的影响。研究表明：复合材料的使用可以使导弹发射筒质量减轻至少30%，而性能仍满足使用要求。

关键词： 轻质；导弹发射筒；复合材料

1前言

近年来，近程防御武器系统逐步成为业内研究的热点，而研制易于便捷快速完成筒弹换装的轻质导弹发射筒也成为了其中的一项重要课题。目前，复合材料技术在导弹发射筒领域的应用多见于预先研究领域，正式型号应用较少。与常规金属材料相比，复合材料具有比强度高、比模量高、质量轻、抗疲劳性能好及减振性能好等诸多优点，能够使导弹发射筒减重30%左右，可匹配导弹发射筒轻质化的需求。

为使减重效果比较明显，导弹发射筒应用复合材料的部件主要是筒体、前后盖和导向装置。导弹发射筒筒体既是支撑导弹弹体的容器，又承受导弹贮存、运输、发射等过程中的内外载荷，还要为发射筒其他组成部分提供安装平台和定位基准。导向装置在导弹发射前限制导弹周向转动，在导弹发射时提供导弹按预定初始弹道飞行的条件。因此，筒体和导向装置的刚强度指标是衡量发射筒设计水平的首要指标，同时兼顾保证其精度指标。

本文将复合材料应用于导弹发射筒筒体、易碎盖和导向装置设计中，分析复合材料的使用对发射筒结构和性能的影响。

2设计理论

2.1纤维缠绕的网格分析

纤维缠绕基本线型有螺旋缠绕、环向缠绕、平面缠绕、纵向缠绕四类，所组成的常用网格又可分为单一螺旋缠绕、螺旋加环向缠绕、螺旋加纵向缠绕、环向加纵向缠绕四类。

考虑工艺的可实现性，本文的发射筒筒体采用如图1所示的螺旋加环向缠绕制成。螺旋加环向纤维缠绕圆筒在网格意义下的纵向和环向内力分别为

…….………………………….（1）

式中，α为螺旋缠绕角，θ即纤维与发射筒筒体轴线的夹角；为环向缠绕角，取值为π/2；σα和σθ分别表示螺旋和环向缠绕纤维应力；hα和σθ分别表示螺旋和环向缠绕纤维厚度。

图1 螺旋加环向缠绕的网格单元

按照薄膜理论，发射筒筒体在导弹重力和法向过载的作用下，其轴向和环向内力分别为

…….………………………………….（2）

式中，R为筒体半径；P为筒体内壁承受的最大压强。

纤维缠绕筒体在网格意义上处于平衡时，有TZ=NZ，Tθ=Nθ。于是螺旋加环向纤维缠绕筒体在网格意义下的平衡方程为

…….…………………….（3）

在平衡型应变状态下，考虑螺旋和环向纤维采用同一种纤维，于是有σα=σθ=σ。式（3）变为：

…….…………………….（4）

将（4）中的两式相除，可得螺旋加环向缠绕网格的平衡条件为

…….……………………...（5）

其中 为环向纤维与螺旋厚度之比。式（5）解算可得

，由于λθα为厚度值，不能为负数，故 ，即α≤54.7°。

设纤维的断裂应力为σb，设计爆破压强为Pb，由式（4）可以得出螺旋缠绕纤维和环向缠绕纤维的厚度分别为

………….……………………...（6）

2.2经典层压板理论的基本假设

本文的导向装置采用层压结构，经典层压结构有如下基本假设：

（1）假定层压板的厚度与其他方向的尺寸相比较小；

（2）直法线假设：假定层压板未受载前垂直于中面的法线变形后仍垂直于中面，即层间无滑移；

（3）等法线假设：假定层压板中面的法线变形后长度不变，因而垂直于中面的应变可以忽略不计。

3复合材料发射筒设计

在某导弹发射筒设计中，将复合材料技术主要应用在筒体、前后盖和导向装置上，其中，筒体采用T300碳纤维复合材料缠绕成型，前后盖采用聚氨酯泡和树脂基玻璃纤维夹层结构，导向装置采用玻璃纤维铺层成型再与筒体内表面二次胶接。发射筒内部采用适配器支撑导弹，为便于研究，将发射筒假定为压力容器进行研究，与滑动适配器接触的发射筒内表面承压最大。

根据工艺条件限制，设计筒体螺旋缠绕角为45°。考虑发射筒运输过载、导弹燃气流冲击等情况，发射筒设计爆破压强为20MPa，按式（6）进行计算，可得螺旋缠绕纤维厚度约为0.5mm，环向缠绕纤维厚度约为0.25mm。为了获得较好的压缩性能，纤维缠绕时会添加基体环氧树脂，添加后复合材料筒体的密度为1.43g/cm3。由树脂及碳纤维的密度可知树脂基体的体积含量约为62%，纤维体积含量为38%，筒体的复合壁厚为hc=kf（hα+hθ），其中kf=1/Vf=1/0.38=2.6，则圆筒体的复合壁厚为1.95mm，考虑到纤维缠绕成型时，一般都存在纤维堆积和空隙等现象，所以实际壁厚往往比计算厚度厚约5%，取圆筒体的壁厚2.1mm。

发射筒前后盖设计为复合材料泡沫夹层结构，以高模量、高强度的玻璃纤维层压板作为夹层结构上下面板承担弯曲载荷，利用密度较强的聚氨酯泡沫作为芯子部分起支撑面板和抗剪作用。玻璃纤维层压板厚度为0.2mm，聚氨酯泡沫夹芯厚度为5mm，为保证盖体平面各方向性能一致，上下面板的玻璃纤维层压板采用准各向同性铺层方式。导向装置呈细长条状，采用玻璃纤维铺层成型，同时需保证导向面的平面度，成型后通过二次胶接的形式固定在筒体内表面正上方。

4结构分析

根据复合材料发射筒设计结果，相对于等厚度的铝合金材料发射筒，发射筒减重超过30%。对复合材料发射筒进行力学分析，在三个方向的过载下，择取对发射筒性能影响较大的静变形分析结果如表2所示。根据静变形分析结果，复合材料发射筒的静变形量在允许范围内，能满足发射筒正常使用要求。

表2 复合材料结构和铝合金结构的静变形比较

5结论

将复合材料应用于某轻质导弹发射筒设计中，研究表明：与铝合金材料发射筒比较，发射筒质量可减轻至少30%，而性能仍可满足使用要求。

参考文献

[1]鲍福廷，刘旸，惠卫华. 固体火箭发动机设计[M]. 西安：西北工業大学出版社，2013.

[2]赵美英，陶梅贞. 复合材料结构力学与结构设计[M]. 西安：西北工业大学出版社，2007.

[3]钱元，周光明，贺卫东. 轻质复合材料发射箱盖结构设计与参数优化[J]. 航空学报， 2013，34（4）：826-832.